CN112122361B - 一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，主要解决该类钢种在常规层流冷却过程因局部冷却不均产生相变时差造成应力不均而引起的带钢表面开裂缺陷，又可以用较快的冷却速率达到卷取温度，以获得组织、性能优良的热轧产品。因此，需要冷却过程均匀、快速的冷却路径和模型控制方法。

Description

一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，属于热轧生产技术领域。

背景技术

ω(C)≥0.45％的高碳钢，强度大，硬度大，具有较高的抗拉强度和硬度，经热处理后可以得到良好的力学性能，常用作精冲加工领域，获得比普通冲件尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的精冲零件。对于该类钢种轧制后控制冷却的目的是防止变形后的奥氏体晶粒长大，由于碳含量较高，正常冷却后生成的组织为铁素体和珠光体，并以珠光体为主。该类钢种在层流冷却过程中有以下特点：(1)较高的冷却速率可以降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别，保持其碳化物的固溶状态，达到固溶强化目的，减小珠光体球团尺寸，改善珠光体形貌和片层间距等，从而改善钢材性能；(2)层流冷却水冲击钢板时的换热区域划分为单相强制对流区、核态沸腾和过渡沸腾区、膜状沸腾区、小液态聚集区和空冷辐射区，这就造成了不同的部位有不同的传热现象，易引起带钢的冷却不均，当带钢局部冷速过快，而引起相变时差，产生内应力，当内应力超过材料本身具有的抗拉强度值值，带钢本身就会产生开裂。基于以上特点，该类钢种在层流冷却过程中要求即要保证足够快速的冷却速率，又不至于造成带钢局部冷速过快，造成表面开裂，因此需要对冷却控制方法进行优化和创新。

中国专利CN 109321729 A《高碳钢的轧制方法》，主要提供一种高碳钢的轧制方法，工艺步骤涉及到的层流冷却工艺分为前后两段，前段冷却速度为30～50℃/s，后段冷却速度为50～ 200℃/s，中间温度为450～550℃，其中中间温度指前段冷却结束及后段冷却开始时的温度；卷取温度为50～200℃，层流冷却过程中，通过控制层流前段冷却的冷却速度，使得珠光体相变在较低温度490～560℃快速发生，获得片层间距≤200nm的片层珠光体，奥氏体在前段冷却中完全相变，高速的后段冷速和低温卷取使钢卷温度均匀、迅速下降至200℃以下，避免钢卷开裂，并满足直接出货的条件，提高钢卷库的周转率。与本发明目的和思路差异性较大。

中国专利CN 104278201 B《具有良好冷成型性高碳钢的制备方法》公开了一种公开了一种具有良好冷成型性高碳钢的制备方法涉及层流冷却采取前段快冷，冷却速度100℃/s，层流冷却结束温度为560℃，后段冷却速率15℃/s，卷取温度为550℃，没有涉及到避免快冷过程中，局部过冷的问题与本发明方法解决的问题不同。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，该技术方案主要解决该类钢种在常规层流冷却过程因局部冷却不均产生相变时差造成应力不均而引起的带钢表面开裂缺陷，又可以用较快的冷却速率达到卷取温度，以获得组织、性能优良的热轧产品。因此，需要冷却过程均匀、快速的冷却路径和模型控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在“卷取工艺窗口”内确定设计的冷却工艺路径，制定相应的冷却控制代码；2)制定轧线速度制度；3)CTC模型根据带钢轧机出口带钢头部的预测厚度、温度和对带钢的层流冷却过程进行预计算；4)通过L1基础自动化控制系统持续测量确定模型输入变量中的带钢全长实测厚度；5)通过L1基础自动化控制系统持续测量确定模型输入变量中的精轧出口的带钢全长实测温度；6)由CTC模型根据步骤1)、2)、3)、4)、5)结合卷取温度目标值进行前馈计算，设置带钢每一段层流冷却阀门开启位置；7)通过L1基础自动化控制系统持续测量层流出口的温度测量，进行温度反馈控制；8)在带钢段尾到达卷取温度测量仪时，由反馈控制程序激励，根据温度控制结果，进行层冷效率自学习，段自适应修正，完成整个带钢通过L2过程控制计算机系统下发的冷却模型对带钢进行冷却过程，形成一个闭环控制；9)对轧后带钢的性能、组织进行检测，对冷却控制参数进行固化或修正。

作为本发明的一种改进，所述步骤1)具体操作如下：根据现有层流冷却设备：有15组冷却bank，其中bank1～3为强冷I区，上下各16根集管，上下各16个气动蝶阀，上流量116m³/h，下流量70(58)m³/h；bank4～8为常规冷却区，上集管8根，下集管16根，上下各8个气动蝶阀，上流量116m³/h，下流量58m³/h；bank9～13为强冷II区，上下各16根集管，上下各 16个气动蝶阀，上流量116m³/h，下流量70(58)m³/h；bank14～15为反馈冷却区域，上下各16根集管,上流量58m³/h，下流量58m³/h，Bank1～13为粗调区，bank14～15为精调区，侧喷阀共16组，侧喷压力为1.2Mpa，侧喷阀在带钢头部已经通过了喷嘴并且冷却区域已经开始冷却的时候导通，当带钢尾部已经通过并且冷却区域已经关断之后才关断，当相应的冷却阀投用时，每一组侧喷阀按照带钢跟踪导通和关断，侧喷阀通过气动控制导通和关断，设置bank1、3、5、7、9、11、13为优先开启水冷阀门组，设置bank2、4、6、8、10、12、14为末端开启阀门，以便达到空冷的目的，即：带钢出精轧后进入水冷，在一个水冷集管区域内，进行充分冷却，然后进入bank2的空冷区域，在该区域内，带钢通过本身热传导，温度趋向均匀，再进入bank3的水冷区域，如此以此类推，实现水冷，空冷交替的冷却策略。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)具体操作如下：根据带钢厚度、终轧温度，制定速度制度：速度制度在满足终轧温度的控制条件下，应避免机架间冷却水开启，加速度值较小的匀加速制度轧制，一加、二加给定值0.01m/s2，CTC模型根据带钢的TVD段数据，从而可以计算一个带钢段通过一个阀门序列的时间，根据带钢的TVD数据计算带钢某一段通过一个阀门或者是一个阀门序列的时间，作为计算冷却温降的时间参数。计算某一带钢段经过一个阀门组区域的时间时，按带钢头部偏移处理：起始阀门偏移量x1＝起始阀门位置+F7到EMP距离+ 之前通过EMP的带钢长度。结束阀门偏移量x2＝x1+阀门区域长度带钢段经过一个阀门组区域的时间t＝在带钢TVD折线图上x1和x2间的时间。

作为本发明的一种改进，所述步骤3)具体操作如下：CTC模型根据带钢轧机出口带钢头部的预测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行计算，根据设计的冷却方式，对层流冷却喷嘴进行预设定。根据预测的带钢在轧机出口的厚度、温度、头部冷却时间和要求的卷取目标温度，按照最大阀门开启方式，计算带钢的温降，并得到设定的阀门阵列。

作为本发明的一种改进，所述步骤4)具体操作如下：通过精轧出口的厚度检测仪测量厚度，由L1基础自动化控制系统持续测量带钢全长实测厚度，并传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的厚度变量。

作为本发明的一种改进，所述步骤5)具体操作如下：通过精轧出口的高温计，检测带钢全长实测温度，由L1基础自动化控制系统持续传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的温度变量。

作为本发明的一种改进，所述步骤6)具体操作如下：由CTC模型根据当前段在轧机出口的实际厚度、温度、当前段冷却时间和设定阀门，计算当前段的卷取温度，与要求的卷取目标温度进行比较，根据偏差相应地调整阀门的开启，得到设定的阀门阵列。

作为本发明的一种改进，所述步骤7)具体操作如下：通过L1基础自动化控制系统持续测量层流出口的温度，模型开启反馈程序的功能，根据卷取温度的实际测量值与目标值的偏差控制反馈区的阀门阵列。

作为本发明的一种改进，所述步骤8)具体操作如下：在带钢段尾到达卷取温度测量仪时，由反馈控制程序激励，学习遗传修正系数，并进行段间自适应，对本块带钢的余部进行修正。

作为本发明的一种改进，所述步骤9)对成卷后带钢取代表样板进行性能、组织检测，如性能合格并得到铁素体和珠光体组织，固定此冷却路径。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案在高碳精冲钢的“卷取工艺窗口”内，开发了水冷空冷交替冷却的冷却路径的方法。针对原工艺带钢出精轧后立刻进入层冷区域连续冷却，受层冷现场吹扫水效果能力限制，极易产生带钢表面积水造成局部冷速过快，带钢相变时差，应力不均，造成带钢开裂，针对带钢在层流区域冷却不均开发了水空交替冷却路径方法，使带钢在高温阶段冷却到另一个相对较高的温度时，靠带钢本身的热传导，使带钢整体温度趋向均匀，再进行下一步冷却，获得均匀的铁素体和珠光体组织。

附图说明

图1为梅钢1780产线层流冷却布置图；

图2为水冷空冷交替冷却示意图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：

本发明公开了一种高碳精冲工具钢的层流冷却过程中均匀快冷的控制方法，包括以下步骤：

(1)根据现有层流冷却设备：冷却策略数据设置bank1、3、5、7、9、11、13为优先开启水冷阀门组，设置bank2、4、6、8、10、12、14为末端开启阀门。

(2)根据带钢厚度、终轧温度，制定速度制度：速度制度在满足终轧温度的控制条件下，避免机架间冷却水开启，采用微加速度的匀加速制度轧制，一加速度、二加速度给定值 0.01m/s²，CTC模型根据带钢的TVD段数据，从而可以计算一个带钢段通过一个阀门序列的时间。

(3)CTC模型在确定好冷却策略数据后，按照最大阀门开启方式，冷却预计算模块将根据带钢预定轧制速度，以最大运行速度对带钢需要的冷却能力进行预测，评估层流冷却整体的冷却能力是否能满足工艺要求，并将估算的卷取温度显示到层冷画面上作为操作指导，带钢冷却能力确认结束后，将根据PDI中材质信息、成品目标厚度、目标卷取温度等进行带钢头部阀门计算。

(3)通过精轧出口的厚度检测仪测量厚度，由L1基础自动化控制系统持续测量带钢全长实测厚度，并传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的厚度变量。

(4)通过精轧出口的高温计，检测带钢全长实测温度，由L1基础自动化控制系统持续传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的温度变量。

(5)L1基础自动化控制系统通过编码器算的带钢运行速度，持续传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的速度变量。

(6)由CTC模型根据当前段在轧机出口的实际厚度、温度、当前段冷却时间和设定阀门，计算当前段的卷取温度，与要求的卷取目标温度进行比较，根据偏差相应地调整阀门的开启，得到设定的阀门阵列。

(7)通过L1基础自动化控制系统持续测量层流出口的温度，模型开启反馈程序的功能，根据卷取温度的实际测量值与目标值的偏差控制反馈区的阀门阵列。

(8)在带钢段尾到达卷取温度测量仪时，由反馈控制程序激励，学习遗传修正系数，并进行段间自适应，对本块带钢的余部进行修正。

(9)对成卷后带钢取代表样板进行性能、组织检测，如性能合格并得到铁素体+珠光体组织，固定此冷却路径。

应用实施例1：

以生产成品规格5.5*1250mm的65Mn为例，水空交替冷却步骤如下：

1.化学成分如表1所示:

表1 65Mn化学成分(质量分数，％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al
								0.65	0.24	1	0.01	0.0017	0.2185	0.0018	0.0223

余量为Fe。

2.设计带钢速度制度，根据该规格钢种终轧温度目标值875℃，设计穿带速度5.3m/s，一加速度、二加速度给定值0.01m/s²。

3.根据带钢轧机出口的预测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行计算，CT模型进行预计算，并在F2咬钢时，控制层流阀门进行预开水。预开水阀为bank1、bank3。

4.根据实测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行前馈计算，CT模型进行前馈计算，对层冷阀门阵列进行实时调整。

5.通过测量层流出口的温度，模型开启反馈程序的功能，根据卷取温度的实际测量值与目标值的偏差控制反馈区的阀门阵列，开启BANK 14。

6.完成层流冷却过程，带钢成卷，CTC模型，修正自学习遗传系数。

7、对成卷后带钢取代表样品进行性能组织检测。

表2 65Mn带钢的显微硬度组织结果

表3 65Mn带钢的力学性能结果

屈服强度	抗拉强度	延伸率
			581	876	18.5
539	900	19
			516	865	17.5

实施案例2：

以生产成品规格8.0*1290mm的C45E为例，水空交替冷却步骤如下：

1、化学成分如表4所示:

表4 C45E化学成分(质量分数，％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al
								0.45	0.2	0.64	0.012	0.0004	0.25	0.0016	0.03

余量为Fe。

2、设计带钢速度制度，根据该厚度钢种终轧温度目标值850℃，设计穿带速度3.4m/s，一加速度、二加速度给定值0.01m/s²。

3、根据带钢轧机出口的预测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行计算，CT模型进行预计算，并在F2咬钢时，控制层流阀门进行预开水。预开水阀为bank1、bank3。

4、根据实测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行前馈计算，CT模型进行前馈计算，对层冷阀门阵列进行实时调整。

5、通过测量层流出口的温度，模型开启反馈程序的功能，根据卷取温度的实际测量值与目标值的偏差控制反馈区的阀门阵列，开启BANK 14。

6、完成层流冷却过程，带钢成卷，CTC模型，修正自学习遗传系数。

7、对成卷后带钢取代表样品进行性能组织检测。

表5 C45E带钢的显微硬度组织结果

表6 C45E带钢的力学性能结果

屈服强度	抗拉强度	延伸率
			447	788	21.5
458	791	22.5
			486	777	20.5

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (8)

1.一种防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)在“卷取工艺窗口”内确定设计的冷却工艺路径，制定相应的冷却控制代码；2)制定轧线速度制度；3)CTC模型根据带钢轧机出口带钢头部的预测厚度、温度和速度，对带钢的层流冷却过程进行预计算；4)通过L1基础自动化控制系统持续测量确定CTC模型输入变量中的带钢全长实测厚度；5)通过L1基础自动化控制系统持续测量确定CTC模型输入变量中的精轧出口的带钢全长实测温度；6)由CTC模型根据步骤1)、2)、3)、4)、5)结合卷取温度目标值进行前馈计算，设置带钢每一段的层流冷却阀门开启位置；7)通过L1基础自动化控制系统持续测量层流出口的温度，进行温度反馈控制；8)在带钢段尾到达卷取温度测量仪时，由反馈控制程序激励，根据温度控制结果，进行层冷效率自学习，完成整个带钢通过L2过程控制计算机系统下发的冷却模型对带钢进行冷却过程，形成一个闭环控制；9)对轧后带钢的性能、组织进行检测，对冷却控制参数进行固化或修正；

所述步骤1)具体操作如下：根据现有层流冷却设备：有15组冷却bank，其中bank1～3为强冷I区，上下各16根集管，上流量116m³/h，下流量70m³/h；bank4～8为常规冷却区，上集管8根，下集管16根，上流量116m³/h，下流量58m³/h；bank9～13为强冷II区，上下各16根集管，上流量116m³/h，下流量70m³/h；bank14～15为反馈冷却区域，上下各16根集管，上流量58m³/h，下流量58m³/h，Bank1～13为粗调区，bank14～15为精调区，侧喷阀共16组，侧喷压力为1.2Mpa，侧喷阀在带钢头部已经通过了喷嘴并且冷却区域已经开始冷却的时候导通，在带钢尾部已经通过并且冷却区域已经关断之后才关断，当相应的层流冷却阀门投入使用时，每一组侧喷阀按照带钢跟踪导通和关断，侧喷阀通过气动控制导通和关断，设置bank1、3、5、7、9、11、13为优先开启水冷阀门组，设置bank2、4、6、8、10、12、14为末端开启阀门，以便达到空冷的目的，即：带钢出精轧后进入水冷，在一个水冷集管区域内，进行充分冷却，然后进入bank2的空冷区域，在该区域内，带钢通过本身热传导，温度趋向均匀，再进入bank3的水冷区域，如此以此类推，实现水冷，空冷交替的冷却策略。

2.根据权利要求1所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体操作如下：CTC模型根据带钢轧机出口带钢头部的预测厚度、温度和速度对带钢的层流冷却过程进行预计算，根据设计的冷却方式，对层流冷却喷嘴进行预设定。

3.根据权利要求2所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤4)具体操作如下：通过精轧出口的厚度检测仪测量厚度，由L1基础自动化控制系统持续测量带钢全长实测厚度，并传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的厚度变量。

4.根据权利要求3所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤5)具体操作如下：通过精轧出口的高温计，检测带钢全长实测温度，由L1基础自动化控制系统持续传给L2过程控制计算机系统，作为CTC模型输入的温度变量。

5.根据权利要求4所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤6)具体操作如下：由CTC模型根据当前段在轧机出口的实际厚度、温度、当前段冷却时间和设定的层流冷却阀门，计算当前段的卷取温度，与要求的卷取温度目标值进行比较，根据偏差相应地调整层流冷却阀门的开启，得到设定的层流冷却阀门阵列。

6.根据权利要求5所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤7)具体操作如下：通过L1基础自动化控制系统持续测量层流出口的温度，CTC模型开启反馈程序的功能，根据卷取温度的实际测量值与卷取温度目标值的偏差控制反馈区的层流冷却阀门阵列。

7.根据权利要求6所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤8)具体操作如下：在带钢段尾到达卷取温度测量仪时，由反馈控制程序激励，学习遗传修正系数，并进行段间自适应，对本块带钢的余部进行修正。

8.根据权利要求7所述的防止中高碳钢开裂的层流冷却控制方法，其特征在于，所述步骤9)对成卷后带钢取代表样板进行性能、组织检测，如性能合格并得到铁素体和珠光体组织，固定此冷却路径。

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